亞洲大陸邊緣海底峽谷的形態(tài)、分布及演化進(jìn)程

王雁冰，韓喜彬，胡智龍，趙 寧， 陽凡林，葛 倩，許 冬，高金耀

(1.山東科技大學(xué) 測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.自然資源部 海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江 杭州 310012；3.自然資源部 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012)

0 引言

海底峽谷是大陸邊緣顯著的負(fù)地形，一般呈窄而深的長條狀，長度幾十至上百公里，寬度幾百至幾千米，跨深幾百至上千米，橫剖面常呈現(xiàn)“V”字型、“U”字型，及“VU”復(fù)合型[1-2]，常分布在大陸架、大陸坡及陸架坡折帶，如亞洲大陸邊緣的白令海[3]、東海[4]、南海[1,5-6]以及孟加拉灣[7]等海域。海底峽谷是陸緣沉積物輸移至深海的主要通道之一[4]，因內(nèi)部極易形成滑坡和侵蝕性濁流/重力流而產(chǎn)生形態(tài)演化[8-9]。

一些學(xué)者對亞洲大陸邊緣部分海底峽谷的分布及形態(tài)演化開展了研究[1,3-9]，但是受數(shù)據(jù)質(zhì)量或獲取條件等的限制，對諸如千島盆地、日本海、馬來群島島礁區(qū)以及亞洲大陸南部邊緣等大范圍海域內(nèi)峽谷的認(rèn)知仍存在不足，需要通過更多方法和手段來獲取峽谷的信息。一些研究探索了識別峽谷的方法，如欒坤祥[10]以SRTM15_Plus與多波束水深數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建了具有較高準(zhǔn)確度的基于人工監(jiān)督的自動識別方法；HARRIS et al[11]基于ETOPO1數(shù)據(jù)，利用地形表面流水分析的方法實(shí)現(xiàn)了全球海域內(nèi)大型峽谷的識別；還有學(xué)者建立了基于地表幾何形態(tài)分析和圖像處理技術(shù)等的峽谷識別方法[12-13]。

本文采用地形表面流水分析與等高線幾何分析相結(jié)合的方法，基于SRTM15_Plus數(shù)據(jù)，對亞洲大陸邊緣的海底峽谷進(jìn)行識別和分類統(tǒng)計(jì)，根據(jù)峽谷的形態(tài)與分布，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造背景分析其形態(tài)演化進(jìn)程，為海底峽谷等地貌的形成和演化提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

大陸邊緣通常指大陸與洋盆之間的過渡地帶，具有大陸架、大陸坡、大陸隆、島弧以及深海海溝等地貌單元。亞洲大陸邊緣位于歐亞板塊、太平洋板塊和印度-澳大利亞板塊三大板塊的碰撞、匯聚區(qū)，是全球獨(dú)特的復(fù)合型大陸邊緣，存在眾多海底峽谷，近深海側(cè)以海溝地貌為陸緣邊界(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置及構(gòu)造簡圖(據(jù)文獻(xiàn)[14-15]修改)Fig.1 The location and structural map of the study area(modified from references[14-15])

亞洲大陸東部邊緣是世界上構(gòu)造最復(fù)雜的陸緣之一，屬于西太平洋主動大陸邊緣，在西太平洋板塊的俯沖與回卷作用下，形成了眾多溝-弧-盆體系[16]。南部陸緣屬于被動大陸邊緣，在印度洋板塊俯沖作用下形成眾多溝-弧體系，發(fā)育一系列大陸邊緣盆地[14]。在板塊擠壓和碰撞等作用下，區(qū)域內(nèi)形成一系列環(huán)太平洋地震帶，地震帶自阿留申群島、勘察加半島、千島群島至日本群島南端分兩支延伸，一支向西南經(jīng)琉球群島，至菲律賓轉(zhuǎn)向東南至蘇拉威西島，又經(jīng)所羅門群島、新赫布里底群島至新西蘭；另一支向東南經(jīng)馬里亞納群島、關(guān)島至雅浦島[17]。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)

本文采用SRTM15_Plus全球測深和地形數(shù)據(jù)(https:∥docs.gmt-china.org/5.4/dataset/earth_relief/)，范圍為40°E—180°E，15°S—60.5°N，其中海底深度數(shù)據(jù)由船舶探測與衛(wèi)星測高預(yù)測深度結(jié)合生成，高程模型使用15″的采樣間隔，空間分辨率為0.5 km[18]。本文將研究區(qū)分為：東北海域(118°E—180°E，28.5°N—60.5°N)、東南海域(91°E—180°E，15°S—28.5°N)和西南海域(40°E—91°E，15°S—28.5°N)3個(gè)區(qū)域(圖1)。利用Global Mapper 20軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)切割和統(tǒng)一坐標(biāo)系，得到3個(gè)區(qū)域的數(shù)字高程模型。

2.2 海底峽谷識別

以數(shù)字高程模型為基礎(chǔ)，采用地形表面流水分析與等高線幾何分析相結(jié)合的方法[11,13]，將海底峽谷模擬成地表徑流，匯水線作為峽谷中軸線的參考線[13]，根據(jù)等高線剔除不合理的參考線[11]。提取峽谷的中軸線長度(L)、頭部深度(Do)、尾部深度(De)和頭尾直線距離(Lc)信息(圖2)，根據(jù)峽谷中軸線長度與頭尾直線距離計(jì)算峽谷的彎曲度(tor=L/Lc)，中軸線的識別和彎曲度的計(jì)算均通過ArcGIS軟件實(shí)現(xiàn)。利用Global mapper軟件對峽谷寬度W、下切深度D等地貌因子(圖2c)進(jìn)行提取。依據(jù)以下4條標(biāo)準(zhǔn)[11]判斷“峽谷中軸線”是否為海底峽谷：(1)峽谷頭部在大陸架、大陸坡、陸架坡折帶或海底高原等位置；(2)峽谷的頭部水深Do不超過4 500 m；(3)峽谷跨深Dc(Do—De)大于1 km；(4)峽谷寬深比小于150∶1，即峽谷的100 m等深線向陸彎曲的部分大于15 km，并且峽谷的最大下切深度大于100 m。

圖2 海底峽谷相關(guān)特征因子展示Fig.2 Display of related characteristic factors of submarine canyon (圖中Do為峽谷頭部深度，L為中軸線長度，De為峽谷尾部深度，Dc為峽谷跨深，Lc為峽谷頭尾直線距離， W為峽谷寬度，D為峽谷下切深度。) (Do is the depth of the canyon head, L is the length of the central axis, De is the depth of the canyon tail, Dc is the depth range of the canyon, Lc is the straight line distance from head to tail, W is the width of the canyon, D is the down cutting depth of the canyon.)

趙月霞 等[9]按平面形態(tài)將峽谷分為直線型、蛇曲型、樹枝型。直線型和蛇曲型同屬于支谷不發(fā)育的線型峽谷，二者的彎曲度不同，直線型的彎曲度一般小于1.15，蛇曲型的一般大于1.2。樹枝型則發(fā)育有若干支谷。本文以彎曲度1.2區(qū)分直線型與蛇曲型，以是否發(fā)育支谷判別直線型/蛇曲型與樹枝型，樹枝型峽谷的主干谷和支谷的形態(tài)示意圖見圖3。通過ArcGIS軟件將峽谷的中軸線形態(tài)展示出來(圖4)，并將每一條峽谷的位置、長度、跨深以及形態(tài)等信息錄入數(shù)據(jù)庫，用于分布特征的分析。在樹枝型峽谷的數(shù)量統(tǒng)計(jì)中，將主干谷和支谷視為單一峽谷計(jì)數(shù)，如圖3中A、B和C為一組樹枝型峽谷，包括1條主干谷和2條支谷，圖3中樹枝型峽谷數(shù)量總計(jì)為3條。

圖3 樹枝型峽谷模型Fig.3 The model of dendritic canyon

圖4 3種形態(tài)的海底峽谷Fig.4 Three types of submarine canyons

2.3 海底峽谷識別驗(yàn)證

通過對比圖像識別峽谷與實(shí)際區(qū)域內(nèi)已知峽谷的分布，來驗(yàn)證該分析方法的可靠性與準(zhǔn)確性。圖5為南海東北部圖像識別峽谷群與該區(qū)域?qū)嶋H澎湖峽谷群[6]的對比。澎湖峽谷群已知的峽谷為18條，本文識別出15條，識別準(zhǔn)確率為83.33%。圖中1～3號峽谷未能識別出；4～6號峽谷雖然在長度上與已知峽谷存在一些差異，但主干谷的位置均可對應(yīng)；7號峽谷的識別結(jié)果精確地顯示了支谷的中軸線。對比圖像識別結(jié)果與同經(jīng)緯度位置的地形地貌(圖6)，發(fā)現(xiàn)峽谷的中軸線可以準(zhǔn)確表現(xiàn)峽谷的地貌形態(tài)，證明圖像識別結(jié)果是準(zhǔn)確的。

圖5 海底峽谷識別驗(yàn)證Fig.5 The verification of identify results of submarine canyon (已知的峽谷分布引自文獻(xiàn)[6]) (The definite canyon distribution are cited from reference[6])

3 結(jié)果

在亞洲大陸邊緣共識別出531條海底峽谷，以直線型最為發(fā)育，樹枝型次之，蛇曲型最少，數(shù)量分別為239條、217條和75條(表1)。另外分別對東北、東南和西南海域內(nèi)樹枝型峽谷的主干谷和支谷的數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果見表2。

表1 亞洲大陸邊緣3個(gè)海域內(nèi)的海底峽谷類別及數(shù)量Tab.1 The category and number of submarine canyons in three sea regions on the edge of the Asian Continent

表2 3個(gè)海域內(nèi)樹枝型峽谷主干谷與支谷數(shù)量Tab.2 The number of main and branch valleys of dendritic submarine canyons in the three sea regions

在東北海域共識別出245條海底峽谷，以直線型最為發(fā)育，樹枝型次之，蛇曲型最少(圖7)，分別有143條、84條和18條。直線型主要分布在白令海、千島盆地與日本海，總體呈現(xiàn)W—E走向、NW—SE走向和WSW—ENE走向；樹枝型主要分布在南海海槽、日本海溝與伊豆小笠原海溝交界海域，主干谷共有32條，其中26條為直線型，6條為蛇曲型，總體呈現(xiàn)W—E走向，少數(shù)呈現(xiàn)N—S走向；蛇曲型散亂分布在白令海和千島海溝附近。

圖7 亞洲大陸邊緣東北海域海底峽谷分布Fig.7 The distribution of submarine canyons in northeastern Asian Continent Margin

日本溝-弧-盆及周圍海域內(nèi)峽谷數(shù)量最多，包括88條直線型、61條樹枝型和6條蛇曲型；白令海溝-弧-盆海域次之，包括29條直線型、13條樹枝型和10條蛇曲型；千島溝-弧-盆海域也較多，包括26條直線型、10條樹枝型和2條蛇曲型。

在東南海域共識別出235條海底峽谷(圖8)，以樹枝型最為發(fā)育，直線型次之，蛇曲型峽谷最少，3種峽谷分別有113條、70條和52條。直線型散亂分布在南海周緣與馬來群島島礁區(qū)；樹枝型主要分布在南海與蘇門答臘俯沖帶，主干谷共有42條，其中14條為直線型，28條為蛇曲型，在南海東北部與東南部呈現(xiàn)近NW—SE向，在蘇門答臘俯沖帶呈現(xiàn)NE—SW向與NNE—SSW向；蛇曲型主要分布在孟加拉灣東部區(qū)域，呈現(xiàn)近NNW—SSE向與NW—SE向。

圖8 亞洲大陸邊緣東南海域海底峽谷分布Fig.8 The distribution of submarine canyons in southeastern Asian Continent Margin

在亞洲大陸東南區(qū)域，馬來群島島礁區(qū)內(nèi)識別出的峽谷數(shù)量最多，包括28條直線型、23條樹枝型和11條蛇曲型；南海海域次之，包括17條直線型、27條樹枝型和7條蛇曲型；在蘇門答臘俯沖帶識別出9條直線型、28條樹枝型和13條蛇曲型；在孟加拉灣東部海域識別出8條樹枝型和15條蛇曲型；在沖繩海槽東側(cè)識別出的海底峽谷包括1條直線型與2條樹枝型；在東海識別出4條直線型和5條樹枝型；在呂宋島弧東側(cè)識別出4條直線型和2條樹枝型；在珊瑚海周圍識別出7條直線型、18條樹枝型和6條蛇曲型。

在亞洲大陸西南海域共識別出51條海底峽谷(圖9)，以直線型最為發(fā)育，樹枝型次之，蛇曲型最少，數(shù)量分別為26條、20條和5條。直線型與蛇曲型峽谷在阿拉伯海周緣散亂分布，總體呈現(xiàn)NE—SW走向；而樹枝型主干谷共有8條，7條為直線型，1條為蛇曲型，總體呈現(xiàn)WSW—ENE走向，主要分布在阿拉伯海區(qū)域。

圖9 亞洲大陸邊緣西南海域海底峽谷分布Fig.9 The distribution of submarine canyons in southwestern Asian Continent Margin

阿拉伯海西北部海域內(nèi)峽谷數(shù)量最多，包括7條直線型、18條樹枝型和1條蛇曲型；其他海域內(nèi)海底峽谷數(shù)量較少，呈散亂分布。

4 討論

已有的研究表明，在濁流/重力流沖刷[8]或斷裂構(gòu)造[19-20]等作用下，海底會形成沖溝或張性斷層等地貌。直線型峽谷與沖溝和張性斷層在形態(tài)上高度相似。亞洲大陸邊緣海底的直線型峽谷密集分布在千島盆地、白令海盆地以及南海等海域，已有的研究表明在這些區(qū)域內(nèi)斷裂活動與濁流侵蝕活動強(qiáng)烈[3,5,21]。根據(jù)形態(tài)和區(qū)域地質(zhì)背景分析，直線型峽谷很可能是沖溝和斷層等地貌在濁流沖刷和塊體搬運(yùn)作用下形成的早期峽谷形態(tài)。

在峽谷的演化中可能存在“直線型—蛇曲型”的進(jìn)程。如臺灣淺灘南峽谷，受NW向斷裂構(gòu)造作用形成了峽谷雛形，經(jīng)沉積流的長期侵蝕，峽谷表現(xiàn)為直線型，隨著濁流的持續(xù)侵蝕，峽谷延伸至下陸坡區(qū)，受海山的阻隔轉(zhuǎn)為近E—W向[5]，總體呈現(xiàn)為蛇曲型。一些研究發(fā)現(xiàn)海山、泥底辟和構(gòu)造臺地等海底地形會改變峽谷的路徑，使峽谷的彎曲度增大[20]，這可能也體現(xiàn)了峽谷“直線型—蛇曲型”的演化。本文識別顯示，在亞洲大陸邊緣，蛇曲型峽谷數(shù)量極少，主要集中分布在孟加拉灣東部俯沖帶。該區(qū)域內(nèi)構(gòu)造變形活動強(qiáng)烈，如在中上新世形成NW—SE向的蘇門答臘右旋走滑斷裂以及在早更新世形成的若開褶皺帶[22]，該褶皺帶上存在眾多走向上疊置與分叉的背斜構(gòu)造[23]。根據(jù)構(gòu)造活動發(fā)生的時(shí)期推測，該區(qū)域在走滑斷裂作用下形成了早期峽谷，后因構(gòu)造變形作用，海底地形發(fā)生劇烈改變，峽谷的走向發(fā)生突變或多變，即從直線型逐漸演化為蛇曲型。該演化進(jìn)程與毛凱楠 等[20]研究結(jié)果基本一致。

趙月霞 等[9]研究東海陸坡區(qū)的樹枝型峽谷時(shí)，發(fā)現(xiàn)主干谷形態(tài)多數(shù)為蛇曲型，推測可能存在“蛇曲型—樹枝型”的演化進(jìn)程，斷裂和濁流侵蝕使蛇曲型峽谷與鄰近溝谷相連接逐步演化為樹枝型。本文識別的樹枝型峽谷密集分布在日本海溝、伊豆小笠原海溝和南海海槽交界處，南海以及蘇門答臘俯沖帶海域，這些區(qū)域是地震和火山活動頻發(fā)區(qū)[24-26]。研究發(fā)現(xiàn)[17,27]海底地震會誘發(fā)侵蝕型濁流/重力流的產(chǎn)生，火山活動為濁流提供物源。推測這些區(qū)域的峽谷在地震、火山引發(fā)的濁流的侵蝕下，逐漸與周圍溝谷相連接演化為樹枝型。本文研究發(fā)現(xiàn)樹枝型峽谷的主干谷存在直線型與蛇曲型兩種形態(tài)，可能也與該演化進(jìn)程有關(guān)。

5 結(jié)論

本文利用地形表面流水分析與等高線幾何分析結(jié)合的方法在亞洲大陸邊緣共識別出531條海底峽谷，將其分為直線型、蛇曲型與樹枝型，分別有239條、75條和217條。每種形態(tài)的峽谷分布存在區(qū)域性，直線型峽谷主要分布在白令海盆地、千島盆地、南海等區(qū)域；蛇曲型峽谷主要分布在孟加拉灣東部俯沖帶海域；樹枝型峽谷主要分布在在日本海溝、伊豆小笠原海溝和南海海槽交界處，南海以及蘇門答臘俯沖帶海域。根據(jù)峽谷的分布與形態(tài)，結(jié)合研究區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造背景等，認(rèn)為峽谷可能存在“直線型—蛇曲型”和“直線型/蛇曲型—樹枝型”的形態(tài)演化，直線型峽谷在海底地形的影響下可能會演化為蛇曲型，直線型/蛇曲型峽谷在濁流/重力流侵蝕的作用下，與鄰近溝谷相連接演化為樹枝型。